1594年6月，荷兰派出了一支由4艘船组成的探险队向北极区进发。船队的第一艘船由巴伦支指挥。这支船队在科拉河口兵分两路。巴伦支指挥的一艘船和另一艘船从基利金岛出发，向东北航行，以便绕过新地岛的北部海角。他们预测，在这个海角之外有一片无冰的海域。
新地岛到了，岛上冰雪覆盖。船沿新地岛的海岸向北航行。穿过海峡，船上的人们看见在一个岛屿旁有一个船影在上下浮动。绕过浮冰，驶近一看，原来是一艘俄国船的遗骸，破损的风帆从船上斜挂着浸到海水中，龙骨断裂，船上没有一个人影。
船队从这个船的遗骸边驶过。船员们默默地注视着它，心情沉重。以后，他们又从一个岛边驶过，看见岛上有两个醒目的十字架。毫无疑问，这是曾经到过这儿的人竖的，也许这里面埋葬着不知名的北极探险者。
7月13日，两艘船的前方出现了几座巨大的冰山，尖削的冰顶直刺蓝天。巴伦支让船减速，迂回着在冰山之间前进。海上升起了雾，渐渐地弥漫，整个海面白茫茫一片。船前进的速度非常缓慢，为免撞上可怕的冰山。待到穿过这个海区时，船队已经为此花去了整整两个星期。
这时，巴伦支发现了一块伸向海洋的陆地，陆地上是一片冰雪，陆地附近的海面上是随波漂动的浮冰，远处是耸立海面的冰山。好一个冰雪世界！巴伦支将这个海角命名为冰角，它位于新地岛的最北部。
哪儿是无冰的海洋？船员们感到前面危险太大，不想再继续航行了。巴伦支也觉得还是返航为好，于是下令调转船头返回荷兰。
之后，荷兰政府又组建了第二支探险队。这支探险队由6艘船组成，另外还配备了一艘传令快艇。这是荷兰派往北极区最大的一支探险队。巴伦支是其中一艘船的船长。
1595年8月，船队绕过诺尔辰角后分组航行。巴伦支的一艘船随一支船队径直向东。还未行驶到新地岛，海面巨大的冰山就挡住了他们的去路，于是，不得不转向尤戈尔海峡，不料，尤戈尔海峡的入口也被冰封冻了。这支船队只得在一个小岛附近停泊。停泊期间，船员们天天都要到岛上去寻找新鲜食物和淡水。一天，从岛上传来几声枪响，不一会儿，几个船员向船边跑来，身上沾满了鲜血。原来，他们遇上了北极熊。在将北极熊打退之前，两个伙伴被撕成了碎块。船队的领队提出返航，巴伦支虽然不同意，但由于其他人一致要求返航，船队于1595年12月返回荷兰。这支探险队没有任何新的发现。
这次探险失败之后，荷兰政府决定不再动用国库中的经费组织探险队，转而采用设立高额奖金的办法，鼓励航海家去发现东北航道。1596年，一支新的探险队组成。这支探险队是由荷兰阿姆斯特丹参议院发起组织的，仅有两艘船。指挥官是盖姆斯克尔克和扬·莱茵，巴伦支担任盖姆斯克尔克船上的领航员。
船队的指挥官认为，前一次探险的失败，原因是那支船队从荷兰启程的时节太晚了。于是决定这次提前两个月启程。
船队驶离荷兰海岸，巴伦支便与莱茵发生争吵。巴伦支坚持要走东北航线，即先到达新地岛，而莱茵却执意要朝北航行，驶进北冰洋。莱茵说：“北冰洋是一片无冰的海域，船只可以自由通航。”盖姆斯克尔克在这场争吵中站在了莱茵一边，于是这两艘船按莱茵择定的航线向北驶去。
随着船的航路不断向北延伸，海面的浮冰越来越多，大大小小的冰山不时地从船的两边往后退去。船驶过一个海岛后，海面上的浮冰开始互相聚拢，船只无法再前进了，他们不得不向南返回，驶抵一个海岛。这时，巴伦支和莱茵又发生了意见分歧。莱茵提出绕道向北去寻找无冰的航道，再向东航行。巴伦支认为，只有向东航行才能找到通道。最后，盖姆斯克尔克同意巴伦支的意见，这样一来，两艘船分开了。莱茵驾驶着他那艘船绕道北行，而巴伦支所在的那条船径直向东航去。
7月中旬，巴伦支所在的航船驶近新地岛，接着转而向北行进，准备绕过新地岛后向东探航。新地岛附近的海面到处是令人生畏的浮冰和大小冰山，航船小心翼翼地在浮冰和冰山之间向前航行。不时有浮冰从前面的航道上漂过，也不时有浮冰碰撞着航船，船行走得十分艰难，巴伦支丝毫不敢有半点的松懈。
船快驶抵新地岛的东北海角的时候，巴伦支指挥航船拐过一座冰山，正要转向绕过另一座冰山时，船后不远处传来一声巨响，海面突然升起巨浪。船被巨浪冲向一块巨大的浮冰，船上所有的人都发出了绝望的叫声。这时，另一个巨浪又将船推离了浮冰，才避免了一场船毁人亡的惨剧。原来，那一声巨响是一块从冰山上断裂的冰块落入海水时发出的，它激起的巨浪险些使航船葬身冰海。
断裂的大冰块成了航船最大的威胁，浮冰的碰撞已经使船身伤痕累累。巴伦支领着航船在与冰山和浮冰的搏斗中终于到达新地岛的东北海角。冬季已经来临，船队已无法再向前航行了，巴伦支命令将船停泊在新地岛北岸一个满是冰雪、被称为“冰港”的地方等待冬天的过去。
船员们从船上卸下武器和一部分必需的物品，还把一些航海器具和风帆搬上岸，把辅助用的小船改造成一座备有炉灶和烟囱的小屋，又从船上拆下一些木板，在小屋四周筑起了一道围墙。
在这个漫长的冬季里，由于长期吃不到新鲜的食物，船员们大都患上了坏血症。春天到来之前，17个越冬的人中死去了两个。另有两个人病得很重，其中一个就是巴伦支。
春季来临，熬过冬季的这些人准备返航，但那条停泊在岸边的船已经破损不堪，没有修复的可能了。他们只得从船上搬下两艘备用的小帆船，整修了一番，装上一些食品和途中所需的东西。巴伦支把这次航行和越冬的情况写成一份报告，放在那座小屋的炉灶旁，率队离开了这个越冬地。
海面浪涛汹涌。水手长告诉巴伦支，又有一个船员病亡。巴伦支知道后，说：“我感到我也活不了多久了。”他叫人拿来地图，仔细地看了一遍，然而对身旁的一个船员说；“请给我喝一口水。”之后，他也合上了双眼，永远离开了船员。这天是1597年6月20日。
巴伦支病亡，船员们个个悲痛不已，他们将巴伦支的尸体放入大海，为他举行了悲壮的海葬。为了纪念巴伦支，人们把埋葬他的这个大海命名为巴伦支海。
巴伦支死后，他的同伴们继续在归翟上航行，但行进的速度非常缓慢，半个月后才回到荷兰的阿姆斯特丹。